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Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von Kunststoffbauteilen, umfassend die folgenden Schritte:
- – Transportieren eines flächigen Kunststoff-Halbzeugs in eine Pressform,
- – Schließen der Pressform und dabei Umformen des Kunststoff-Halbzeugs zu dem Kunststoffbauteil,
- – Öffnen der Pressform und
- – Entnehmen des umgeformten Kunststoffbauteils aus der Pressform.
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Zur Entnahme des ungeformten Kunststoffbauteils aus der Pressform ist dieses selbstverständlich ausreichend erstarrt bzw. erhärtet, sodass es mit ausreichender Formstabilität entformt werden kann. Ob die Aushärtung des Bauteils vor Entnahme bei geöffneter oder bei geschlossener Pressform erfolgt, kann dabei dahingestellt bleiben.
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Das eingangs geschilderte gattungsgemäße Verfahren ist in seiner Allgemeinheit zur Erzeugung von pressgeformten Kunststoffbauteilen, insbesondere von solchen mit Faserverstärkung im Kunststoff, allgemein bekannt.
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Nachteilig an dem bekannten gattungsgemäßen Verfahren ist, dass es nur die Verarbeitung eines geringen Anteils an Kunststoff-Rezyklat ermöglicht. Umso höher muss daher der Anteil an erstmals verarbeitetem Neu-Kunststoff sein, um mit dem Verfahren Bauteile in einer gewünscht hohen Qualität zu erzeugen. Dabei ist vor allem an Bauteile, auch Sicht-Bauteile mit am fertigen Produkt sichtbaren Außenflächen, für Kraftfahrzeuge gedacht.
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Es ist daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung, das gattungsgemäße Verfahren derart weiterzubilden, dass mit ihm ein hoher Anteil an Rezyklat-Kunststoff zu pressgeformten Kunststoffbauteilen verarbeitet werden kann, die in ihrer Bauteilqualität der Qualität von mit Neu-Kunststoff hergestellten gleichartigen Kunststoffbauteilen gleichwertig sind.
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Diese Aufgabe wird durch ein gattungsgemäßes Verfahren dadurch gelöst, dass das Verfahren vor dem Schließen der Pressform folgenden weiteren Schritt umfasst:
- – Aufbringen von amorphem thermoplastischem Kunststoff-Rezyklat auf das Kunststoff-Halbzeug derart, dass sich beim Schließen der Pressform Kunststoff-Halbzeug und darauf aufgebrachtes amorpher thermoplastisches Kunststoff-Rezyklat in der Pressform befindet.
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Durch die Verwendung von amorphem thermoplastischem Kunststoff-Rezyklat hat sich überraschend gezeigt, dass der Umstand, dass es sich bei dem amorphen thermoplastischen Kunststoff um wiederverwendeten, also rezyklierten Kunststoff handelt, für die Qualität des mit dem Verfahren erzeugten Bauteils nur eine untergeordnete bis gar keine Rolle spielt.
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Als Kunststoff kommt dabei rezyklierter amorpher Polyester, insbesondere amorphes Polyethylenterephthalat in Frage, wie es beispielsweise aus rezyklierten PET-Flaschen gewonnen werden kann.
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Durch die Verwendung von rezykliertem thermoplastischem Kunststoff können die Stückkosten pro Bauteil gegenüber demselben mit Neu-Kunststoff hergestellten Bauteil bei gleicher Bauteilqualität erheblich verringert werden.
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Vorzugsweise wird ausschließlich amorphes thermoplastisches Kunststoff-Rezyklat auf das Kunststoff-Halbzeug aufgebracht, sodass zumindest in der mit diesem Kunststoff ausgebildeten Bauteillage kein weiterer thermoplastischer Kunststoff auf das Kunststoff-Halbzeug aufgetragen werden muss. Es kann jedoch sein, dass das amorphe thermoplastische Kunststoff-Rezyklat lediglich Teil einer auf das Kunststoff-Halbzeug aufgebrachten Kunststoffmischung ist, wobei dann der Anteil des amorphen thermoplastischen Kunststoff-Rezyklats an der Kunststoffmischung wenigstens 50 Gew.-%, vorzugsweise wenigstens 75 Gew.-%, besonders bevorzugt wenigstens 90 Gew.-%, beträgt.
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Um in möglichst kurzer Taktzeit mit dem erfindungsgemäßen Verfahren ein Bauteil herstellen zu können und insbesondere eine Verbindung zwischen dem Kunststoff-Halbzeug und dem darauf aufgebrachten amorphen thermoplastischen Kunststoff-Rezyklat schaffen zu können, ist es vorteilhaft, wenn das Verfahren nach dem Schließen der Pressform und vor dem Entnehmen des Kunststoffbauteils folgenden weiteren Schritt aufweist:
- – Erwärmen des Kunststoffmaterials.
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Durch das Erwärmen des Kunststoffmaterials, was sowohl eine Erwärmung des amorphen thermoplastischen Kunststoff-Rezyklats wie auch eine Erwärmung des Kunststoff-Halbzeugs bedeutet, kann wenigstens ein Teil des in der Pressform befindlichen Kunststoffmaterials erweicht werden, sodass dann durch den Pressdruck in der Pressform ein Kunststoffbauteil mit ausreichender Festigkeit erzeugt werden kann.
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Dabei ist es besonders vorteilhaft, wenn der Schritt der Erwärmung den folgenden Teilschritt aufweist:
- – Erwärmen wenigstens von Abschnitten des Kunststoffmaterials in der Pressform über die Glasübergangstemperatur oder über die Schmelztemperatur des aufgebrachten amorphen thermoplastischen Kunststoff-Rezyklats.
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Somit kann das aufgebrachte amorphe thermoplastische Kunststoff-Rezyklat vorübergehend in einen fließfähigen Zustand übergeführt werden, in dem es sich insbesondere mit Fasersubstraten als Kunststoff-Halbzeugen leicht und schnell formschlüssig verbinden kann, indem es beispielweise unter Vermittlung des Pressdrucks in der Pressform in von Fasern des Kunststoff-Halbzeugs gebildete Maschen oder Hohlräume einfließen und dort erstarren kann.
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Thermoplastischer Kunststoff, insbesondere PET, muss zur Verarbeitung durch Spritzguss oder Extrusion über den Schmelzpunkt aufgeheizt werden, da nur dann die Kunststoffschmelze eine ausreichend niedrige Viskosität zur Spritzguss- oder Extrusionsverarbeitung aufweist. Bei PET beträgt die Verarbeitungstemperatur für Spritzgießen oder Extrusion etwa 300 °C. Bei diesen Temperaturen reagieren thermoplastische Kunststoffe, insbesondere das genannte PET, sehr sensibel auf Feuchtigkeit. Der Kunststoff muss in vielen Fällen vor einer Verarbeitung stark getrocknet werden, in der Regel auf ca. 0,005 % Restfeuchte. Der Aufwand hierfür ist erheblich.
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Bei dem hier vorgeschlagenen pressumformenden Verfahren reicht es aus, den amorphen thermoplastischen Kunststoff nur über die Glasübergangstemperatur, nicht jedoch über die Schmelztemperatur, zu erwärmen, welche bei vielen Kunststoffen deutlich niedriger als die Schmelztemperatur ist. Die durch diese Erwärmung erzielte Fließfähigkeit reicht aus, um das amorphe thermoplastische Material durch Pressen in eine gewünschte Gestalt umzuformen. Die dabei benötigten Verarbeitungstemperaturen liegen deutlich niedriger als bei den oben genannten Verarbeitungsverfahren Spritzgießen und Extrudieren, bei PET betragen sie maximal 150 °C. Dadurch wird zum einen Energie eingespart. Zum anderen haben die Kunststoffe, insbesondere das PET, bei den niedrigen Verarbeitungstemperaturen von maximal 150 °C eine deutlich herabgesetzte Feuchteempfindlichkeit, sodass die Kunststoffe, insbesondere das PET, für die vorliegende pressumformende Verarbeitung nicht vorgetrocknet werden müssen.
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Statt PET kann beispielsweise auch PLA als amorpher thermoplastischer Kunststoff verarbeitet werden. Allerdings ist das PET wegen der Verwendung dieses Werkstoffs zur Herstellung von Kunststoffflaschen als Rezyklat in großen Mengen kostengünstig erhältlich.
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Dabei ist es zur Erzielung einer hohen Bauteilqualität, insbesondere einer hohen Festigkeit des erzeugten Kunststoffbauteils, besonders vorteilhaft, wenn das ursprünglich als amorphes Rezyklat aufgebrachte thermoplastische Kunststoff-Rezyklat während der Ausführung des Verfahrens wenigstens teilweise kristallisiert. Hierzu kann vorgesehen sein, dass der Schritt der Erwärmung den folgenden Teilschritt aufweist:
- – Halten der Temperatur wenigstens von Abschnitten des Kunststoffmaterials in der Pressform in einem Temperaturbereich über der Glasübergangstemperatur, insbesondere zwischen der Glasübergangstemperatur und der Schmelztemperatur des aufgebrachten thermoplastischen Kunststoffs für eine vorbestimmte Zeitdauer.
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Durch die beschriebene Temperaturführung hat das ursprünglich amorphe thermoplastische Kunststoff-Rezyklat ausreichend Zeit und ist ausreichend molekular mobil, um während der vorbestimmten Zeitdauer zu kristallisieren. Üblicherweise ist Kunststoff stets nur teil-kristallin, da zwischen kristallisierten Kunststoffbereichen in einem Bauteil stets diese kristallisierten Bereiche verbindende amorphe Bereiche bestehen bleiben müssen. Das Erwärmen, insbesondere mit der beschriebenen Temperaturführung als Weiterbildung, erfolgt vorzugsweise in der Pressform selbst durch Beheizen der Pressform. Es soll jedoch nicht ausgeschlossen sein, dass das Kunststoffmaterial zusätzlich oder alternativ bereits vor Einbringen in die Pressform durch wenigstens eine Heizvorrichtung erwärmt wird, beispielsweise durch eine Phase der Vorerwärmung während des Transports des Kunststoff-Halbzeugs zur Pressform hin, sodass der Wärmeeintrag in der Pressform geringer ausfallen kann, was die Taktzeiten des Pressverfahrens zu verkürzen hilft.
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Grundsätzlich kann das Aufbringen des amorphen thermoplastischen Kunststoffs auf das Kunststoff-Halbzeug in beliebiger Art und Weise erfolgen, solange das Kunststoff-Rezyklat am Ende des Aufbringvorgangs auf dem Kunststoff-Halbzeug vorhanden ist. Bevorzugt umfasst das Aufbringen von amorphem thermoplastischem Kunststoff-Rezyklat ein Aufstreuen oder ein Aufschütten von amorphen thermoplastischen Kunststoffpartikeln auf das Kunststoff-Halbzeug, sodass das Kunststoff-Rezyklat bevorzugt als streufähiges Kunststoff-Rezyklat vorliegt. Hier haben sich vor allem Rezyklate in Flocken- oder Chip-Form als schüttfähige Kunststoffform bewährt. Es soll jedoch nicht ausgeschlossen sein, dass das amorphe thermoplastische Kunststoff-Rezyklat als Pulver oder als Granulat aufgestreut oder aufgeschüttet wird.
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Es kann grundsätzlich ausreichen, wenn das amorphe thermoplastische Kunststoff-Rezyklat lediglich auf ein Kunststoff-Halbzeug aufgestreut oder aufgeschüttet wird und dann in dieser Form in der Pressform verpresst wird.
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Da das Kunststoff-Halbzeug nicht nur zur Erhöhung der Festigkeit des herzustellenden Kunststoffbauteils verwendet wird, sondern auch zur Bestimmung dessen äußeren Erscheinungsbilds, etwa zur Farbgebung des Kunststoffbauteils, kann das Verfahren folgenden weiteren Schritt umfassen:
- – Aufbringen eines weiteren flächigen Kunststoff-Halbzeugs auf das aufgebrachte amorphe thermoplastische Kunststoff-Rezyklat.
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In diesem Fall wird eine Art Sandwich mit außen liegenden Kunststoff-Halbzeugen und mit dazwischen aufgebrachtem amorphem thermoplastischem Kunststoff-Rezyklat in die Pressform eingeführt. Nach dem Pressen weist das so hergestellte Kunststoffbauteil dann auf beiden nach außen weisenden entgegengesetzten Flächen Material des Kunststoff-Halbzeuges auf und kann somit an seinen beiden entgegengesetzten Außenflächen mit einer gewünschten Farbe oder dgl. ausgestaltet sein.
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Bevorzugt ist das flächige Kunststoff-Halbzeug ein Vlies, also ein Fasergewirr. Zusätzlich oder alternativ kann das Kunststoff-Halbzeug ein Fasergewebe oder Fasergewirke sein, mit Maschen, in die das erwärmte oder erschmolzene Kunststoff-Rezyklat in der Pressform unter Einwirkung des Pressdrucks einfließen kann. Weiter zusätzlich oder alternativ kann das Kunststoff-Halbzeug eine massive Kunststofffolie sein, bevorzugt aus Kunststoffmaterial, welches mit dem amorphen thermoplastischen Kunststoff-Rezyklat kompatibel ist, um eine Verbindung zwischen dem Rezyklat und dem Kunststoff-Halbzeug zu erleichtern.
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Ebenso kann das Kunststoff-Halbzeug aus einem Lagenaufbau aus mehreren Lagen der genannten Halbzeugmaterialien gebildet sein. Beispielsweise kann das Kunststoff-Halbzeug außenliegend, der nächstgelegenen Pressform-Kavitätswand zugewandt, eine Folie und auf der von der nächstgelegenen Pressform-Kavitätswand abgewandten Seite der Folie ein Kunststoffvlies aufweisen.
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Die oben genannten Weiterbildungen des flächigen Kunststoff-Halbzeugs gelten ebenso für das etwaig auf das aufgebrachte thermoplastische Kunststoff-Rezyklat aufgebrachte weitere flächige Kunststoff-Halbzeug.
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Bevorzugt wird Rollenware als Kunststoff-Halbzeug verwendet, da diese kontinuierlich von einem Rollenvorrat abgewickelt und der Pressform zugeführt werden kann.
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Bevorzugt erfolgt das Aufbringen des amorphen thermoplastischen Kunststoff-Rezyklats, bevor das Kunststoff-Halbzeug in die offene Pressform transportiert wird. Dann kann nämlich das flächige Kunststoff-Halbzeug als Transportmittel verwendet werden, um auch das amorphe thermoplastische Kunststoff-Rezyklat in die Pressform zu fördern.
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Bevorzugt wird das amorphe thermoplastische Kunststoff-Rezyklat bereits beim Aufbringen auf das Kunststoff-Halbzeug gleichmäßig auf diesem verteilt, beispielsweise gleichmäßig im Sinne eines einheitlichen, über die Verarbeitungsbreite des Kunststoff-Halbzeugs gleichen Auftragsgewichts. Es kann jedoch auch daran gedacht sein, nach dem Aufbringen des Kunststoff-Rezyklats auf das Kunststoff-Halbzeug den Schritt einer Vergleichmäßigung des Auftragsgewichts an Kunststoff-Rezyklat über die Auftragsbreite bzw. Verarbeitungsbreite des Kunststoff-Halbzeugs durchzuführen, beispielsweise durch einen Rechen oder eine Rakel.
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Die vorliegende Erfindung wird nachfolgend anhand der beiliegenden Zeichnungen näher erläutert. Es stellt dar:
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1 eine grobschematische Ansicht einer Produktionsvorrichtung zur Ausführung des erfindungsgemäßen Verfahrens in einem ersten Betriebszustand vor Schließen der Pressform,
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2 die Vorrichtung von 1 mit geschlossener Pressform und
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3 die Vorrichtung von 1 und 2 mit geöffneter Pressform und dem darin gebildeten Kunststoffbauteil.
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In 1 ist eine lediglich grobschematisch dargestellte Produktionsvorrichtung zur Ausführung des erfindungsgemäßen Verfahrens allgemein mit 10 bezeichnet.
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Es umfasst eine Vorratsrolle 12 mit einem Vlies 14 als einem ersten Kunststoff-Halbzeug, welches unter Abwicklung von der Vorratsrolle 12 in Abwickelrichtung längs eines Transporttisches 16, wie durch den Pfeil 18 angezeigt, einer Pressform 20 zugeführt wird. In der Pressform 20 befindet sich ein Formwerkzeug 22 mit einer oberen Werkzeughälfte 24 und einer unteren Werkzeughälfte 26. Die Formwerkzeughälften 24 und 26 sind beheizt, um zwischen ihnen aufgenommenes Kunststoffmaterial gegenüber der Umgebungstemperatur zu erwärmen.
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Stromabwärts bezüglich der Förderrichtung gemäß Pfeil 18 der Vorratsrolle 12 ist eine Streuvorrichtung 28 vorgesehen, welche über die sich orthogonal zur Zeichenebene von 1 erstreckende Verarbeitungsbreite des ersten Kunststoff-Halbzeugs 14 hinweg intermittierend amorphes thermoplastisches Kunststoff-Rezyklat 30 auf das in Richtung des Pfeils 18 transportierte Vlies 14 aufträgt. Der Auftrag erfolgt gleichmäßig während jener Phasen des Verfahrens, in denen ein Vorschub des Vlieses 14 erfolgt.
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Da die Vorschubgeschwindigkeit des Vlieses 14 während eines Vorschubs im Wesentlichen konstant ist und da weiter die Abgabe an amorphem thermoplastischem Kunststoff-Rezyklat 30 in einem konstanten Massenstrom durch die Streuvorrichtung 28 erfolgt, wird das Kunststoff-Rezyklat 30 über die Verarbeitungsbreite des Kunststoff-Halbzeugs 14 während des Vorschubs mit konstantem und gleichmäßigem Auftragsgewicht aufgetragen.
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Die Vorrichtung 10 umfasst eine weitere Vorratsrolle 32, von welcher ein weiteres Kunststoff-Halbzeug 34, wiederum in Form eines Vlieses, abgewickelt und auf das auf das erste Vlies 14 aufgetragene amorphe thermoplastische Kunststoff-Rezyklat 30 aufgelegt wird.
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In die Pressform 20 wird somit ein Sandwich-Rohling 36 transportiert, umfassend zwei jeweils außen liegende Vlieslagen und eine dazwischen angeordnete Lage aus geschüttetem bzw. gestreutem amorphem thermoplastischem Kunststoff-Rezyklat 30.
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Das Kunststoff-Rezyklat 30 ist bevorzugt Polyethylenterephthalat in amorphem Zustand, welches aus rezyklierten PET-Getränkeflaschen gewonnen wird.
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2 zeigt die Produktionsvorrichtung 10 von 1 mit geschlossener Pressform 20. Während die Pressform 20 geschlossen ist, findet kein Vorschub der Kunststoff-Halbzeuge 14 und 34 statt.
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Da das Formwerkzeug 22 der Pressform 20 beheizt ist, wird, während die Pressform 20 geschlossen ist, das in der Formkavität zwischen den Formwerkzeughälften 24 und 26 befindliche Kunststoffmaterial zunächst über die Glasübergangstemperatur des amorphen thermoplastischen Kunststoff-Rezyklats 30 hinaus erwärmt, sodass das Kunststoff-Rezyklat 30 zu fließen beginnt. Anschließend wird die Temperatur des Kunststoffmaterials in der Pressform 20 für eine vorbestimmte Zeitdauer auf einer Temperatur gehalten, die zwischen der Schmelztemperatur und der Glasübergangstemperatur des Kunststoff-Rezyklats liegt. Während dieser Phase ist das ursprünglich amorphe thermoplastische Kunststoff-Rezyklat 30 ausreichend molekular mobil, dass es teilweise auskristallisiert.
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Aufgrund des Aufschmelzens und des auf es ausgeübten Pressdrucks in der Pressform 20 fließt das Kunststoff-Rezyklat 30 in die zunächst von den Vliesen 14 und 34 bereitgestellten Hohlräume, sodass die Fasern der beiden Vliese 14 und 34 durch das aufgeschmolzene thermoplastische Kunststoff-Rezyklat 30 gebunden werden. Je nach Führung der Temperatur und des Drucks während der Pressphase kann so ein massives Kunststoffbauteil oder ein Kunststoffbauteil mit Restporosität erhalten werden.
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In 3 ist die Produktionsvorrichtung 10 mit wieder geöffneter Pressform 20 gezeigt, wobei das Kunststoffbauteil 38 soweit erhärtet ist, dass es als formstabiles Kunststoffbauteil 38 aus der Pressform 20 entformt werden kann. Nach der Entformung des Kunststoffbauteils 38 kann der Vorschub der Vliese 14 und 34 erneut beginnen, ebenso wie das Aufstreuen von Kunststoff-Rezyklat 30 auf die vom Transporttisch 16 weg weisende Oberfläche des Vlieses 14. Das Vlies 14 wird somit als Transportvlies für den Transport des Kunststoff-Rezyklats 30 benutzt.
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Die oben erläuterten Produktionsschritte bzw. -zyklen können beliebig oft wiederholt werden, wobei jedes Mal ein Kunststoffbauteil 38 erzeugt wird.
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Durch die Verwendung von rezykliertem Kunststoff können die Stückkosten des Kunststoffbauteils 38 erheblich abgesenkt werden, durch die Verwendung von amorphem thermoplastischem Kunststoff-Rezyklat 30 kann zwischen den Vliesen 14 und 34 ausschließlich rezyklierter thermoplastischer Kunststoff aufgetragen werden, sodass die das Material des Kunststoffbauteils 38 verfestigende Kunststoffmatrix ausschließlich aus rezykliertem thermoplastischem Kunststoff bestehen kann. Obwohl eingangsseitig amorphes thermoplastisches Kunststoff-Rezyklat 30 verwendet wird, ist der thermoplastische Kunststoff der die Vliese 14 und 34 bindenden Kunststoffmatrix im Kunststoffbauteil 38 teilkristallin.
